JP5066018B2 - 鋳造方法 - Google Patents

Description

この発明は、アルミニウムおよびそれらの合金から金属鋳造品を製造する鋳造方法に関する。

従来の鋳造方法は、まず溶解炉や溶解用坩堝に、例えばアルミニウムのインゴットを入れて、このインゴットを７００〜８００℃に上昇させて、溶融金属を生成する。このとき、一旦大気中に取り出された材料を溶融することになるので、溶湯中には金属酸化物が混入している。特に、溶解を繰り返した金属や酸化のひどい金属材料を使用した場合、混入した金属酸化物が増えて、生成した材料や製品の機械的強度（伸び、引っ張り強度、等）が低く、ブローホール、ピンホール、割れ等を発生させる。

そこで、特許文献１に開示されているように、インゴットを溶融する際に二酸化チタンを溶剤として用いることにより、溶湯中より金属酸化物を取り除き、溶湯を改善する方法が提案されている。またこの方法は、従来の溶剤では分離しきれなかったノロやドロス中の金属も分離することができることが開示されている。
特開２００２−１８５５３号公報

上記特許文献１に開示された方法を用いて、溶融させた塩化マグネシウムまたは塩化ナトリウム中にアルミニウムのドロス等の金属酸化物と二酸化チタン粉末を投入し、その状態において所定温度に加熱し、ドロス等の金属酸化物を溶融させると、ドロス中の金属と酸化物を分離することができる。しかし、所定温度に加熱した段階においては、金属酸化物から球状の溶融金属が複数箇所より析出し、析出金属が大気中の酸素と反応して、発火とともに連鎖的に酸化反応が進む。これにより、析出金属は酸化物となり、十分に金属アルミニウム成分を回収できない事態が発生した。

また、特許文献１のように、二酸化チタンを含む溶剤を使用した場合、消耗品である溶剤として二酸化チタンを用いることにより、二酸化チタンも鋳造滓とともに廃棄され、コストがかかるものであった。

この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みてなされたもので、二酸化チタンによる溶湯内の金属酸化物を取り除くメカニズムを研究し、より安価に効率良く、溶湯、鋳造製品の品質を向上させることが可能な鋳造方法を提供することを目的とする。

先ず、本願発明者によるこれまでの研究の結果、二酸化チタン粉末自身は溶融金属あるいは金属酸化物と反応しないことが分かった。一方、溶融金属中に混在する金属酸化物の溶融金属からの分離を容易にする、あるいは金属酸化物からの金属成分の分離回収を容易に実現する、という機能が二酸化チタンには存在することが実験的に分かった。これらの結果により、二酸化チタン粉末は、触媒的に作用していることを示唆しているものである。

さらに、二酸化チタン粉末は、金属酸化物の金属からの分離作用を持つことが分かったが、アルミニウムのような酸化しやすい金属に対して行った研究の結果、二酸化チタンが酸化を促進させる作用を持つことも分かった。そのため、溶融金属が大気中の酸素と反応しづらい状況下では、アルミニウムのような酸化しやすい金属であっても二酸化チタンが金属酸化物と金属成分を分離する機能を示すことが確認され、本願発明を完成したものである。

この発明は、アルミニウムの鋳造時に発生するドロスを坩堝に入れ、前記坩堝内に入れられた前記ドロスに二酸化チタン粉末と炭素粉末をふりかけて、前記坩堝内の前記ドロスを前記アルミニウムの溶融温度に加熱して、前記アルミニウムと金属酸化物粉末を分離させて前記アルミニウムの溶湯を造る鋳造方法である。

この発明の鋳造方法によれば、二酸化チタンの作用により、鋳造製品の品質を向上させ、酸化により滓として廃棄される割合が減少し、歩留まりが向上する。さらに、金属屑やドロス、その他の滓を集めて金属を効率的に回収することも可能であり、資源の有効骨用に貢献する。

特に、材料中の二酸化チタンによって溶湯内に混入した金属酸化物を分離して溶湯の純度を向上させることができる。その結果、鋳造された材料や製品の金属組織に、ピンホールやクラックが少なく、機械的強度も高い製品を得ることができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１、図２は、坩堝１０と攪拌棒１２を示す。この実施形態の坩堝１０は、銅、アルミニウム、または鉄等の金属のインゴットを収容し、溶解炉中に入れられて、インゴットを溶融させるものである。

この坩堝１０は、アルミナ等のセラミックスにより形成され、その組成中に二酸化チタン（ＴｉＯ_２）を含むものである。二酸化チタンは、少なくとも坩堝１０の内壁面に二酸化チタン層１０ａが一定の厚さで設けられていれば良く、坩堝１０の全体に含まれていなくても良い。二酸化チタンの配合割合は、多い方が好ましいが、坩堝強度に鑑みて、適宜５％〜６０％程度、好ましくは１０％〜５０％含む。

攪拌棒１２も図２に示すように、表面に二酸化チタン層１２ａが設けられている。二酸化チタン層１２ａは、二酸化チタンを含むセラミックス材料でコーティングしたものまたは、攪拌棒１２の材料中に二酸化チタンを混合して形成したものである。

この実施形態の坩堝１０、攪拌棒１２の使用方法は、溶解炉に設置される坩堝１０中に溶融する金属塊や金属屑、ドロス等の溶融金属の材料を入れる。そして、溶解炉の電源の投入または燃料を燃焼させ、溶解炉の内部を加熱して坩堝１０内の温度が金属の融点以上になると、坩堝１０内に溶融金属である溶湯が生成される。さらに、溶湯は、適宜攪拌棒１２により撹拌すると良い。このときの溶融温度は、アルミニウムの場合７００℃〜８００℃、銅が１２００℃〜１２５０℃、鉄の場合１４００℃〜１５００℃程度である。

溶融時には、溶解炉の扉を閉じて酸素を遮断した雰囲気で溶融する。また、溶湯を撹拌するときは、アルゴンガス等の不活性ガスを溶湯表面に注入して、酸素を遮断する。

これにより、坩堝１０の壁面の二酸化チタン層１０ａや攪拌棒１２の二酸化チタン層１２ａの触媒作用により、溶融金属の酸化が抑えられ、金属酸化物も金属成分と分離される。これにより、溶湯改善用の溶剤を使うことなく、低コストで酸化物の少ない良質な溶湯ができる。

これは、金属酸化物になる前の亜酸化物と言うべき金属組成が二酸化チタンの触媒作用により、酸化または還元作用が働き、安定な金属酸化物または溶融金属となり、金属溶湯から分離しまたは金属に戻る。さらに、溶湯を攪拌することにより、二酸化チタン層１２ａが溶湯全体に接触し、その触媒作用で、全体に万遍なく金属酸化物と金属成分を分離し、純度の高い金属溶湯が生成される。

これにより得られる金属は、機械的強度が高く、ブローホール、ピンホール、割れの少ない材料や、製品を得ることができる。なお、適用できる金属は、アルミニウム、銅、鉄及びこれらの合金に特に好適であり、その他の金属にも適用可能であり、対象となる金属を選ばない。

次に、他の鋳造方法について説明する。この実施形態は、図３に示すように、坩堝１０内に、銅、アルミニウム、または鉄等の金属のインゴットや滓、アルミニウムのドロス２２等の材料を入れ、溶解炉１４上面の扉を閉めて、酸素を遮断する。

この状態で、溶解炉１４のコークス１６を燃焼させ内部を加熱すると、溶融金属が生成される。溶融時は、溶解炉１４の扉を閉じて酸素が遮断された雰囲気であるが、図３（ａ）に示すように、撹拌するときは大気中の酸素が侵入するので、アルゴンガス等の不活性ガスを溶湯表面に注入して酸素を遮断し、図３（ｂ）に示す攪拌棒１２で撹拌する。

このようにして溶融すると、金属が例えばアルミニウムの場合、粉状の鋳造滓が溶湯の表面に現れ容易に除去可能となる。そして、この分離された溶融金属である溶湯が鋳型に鋳込まれ、金属鋳造品が製造される。溶湯温度は、アルミニウムの場合７００℃、銅が１２５０℃、鉄の場合１５００℃程度で良好な品質の金属製品が得られる。

この実施形態の、鋳造方法によれば、二酸化チタンの作用により、溶融金属内にノロや鋳造滓がほとんど残らず、金属鋳造品内にはピンホールやクラックが発生しないものである。従って、鋳造品の品質が極めて良好なものとなり、安価に高品質の鋳造品を製造可能とる。

次に、この発明の実施形態の鋳造方法について説明する。この実施形態は、図４に示すように、坩堝１０内に、アルミニウムのドロスを入れ、プロパンガスのバーナー１８でドロス２２全体を加熱する。このとき、二酸化チタン粉末２１をドロス２２に散布し、大気中で加熱する。

すると、図４（ｂ）に示すように、二酸化チタン粉末２１だけをふりかけた場合は、ドロスは完全に金属酸化物の白い粉２４になってしまう。これに対して、図４（ｃ）に示すようにドロス２２に二酸化チタン粉末２１とともに、自身が酸化して酸素を奪う還元剤である炭素粉末２３をふりかけて、加熱すると、図４（ｄ）に示すように、白い粉２４とともにアルミニウム金属成分２６が分離された。

従って、大気中での溶融であっても、炭素等の自身が酸化し易い還元剤とともに二酸化チタンを加えて、金属酸化物を加熱し溶融させると、金属成分には難酸化反応の雰囲気となり、金属酸化物になる前の亜酸化物である金属組成が、二酸化チタンの触媒作用により、その酸素が還元剤に奪われて還元され溶融金属となる。これによりドロス中の金属成分と、安定な金属酸化物と金属成分が分離され、金属成分を回収することができる。

また、このとき溶融させる金属酸化物の材料ととともに、塩化マグネシウムまたは塩化ナトリウムを溶融し、チタン粉末を投入しても良い。この状態で所定温度に加熱し、金属酸化物を溶融させることにより、ドロス中の金属成分と金属酸化物を効率良く分離し、金属成分を回収することができる。

なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、鋳造に使用する攪拌棒や柄杓等の鋳造用具の構成材料について、少なくとも表面層を、二酸化チタンを配合した組成材料としても良い。これにより、この鋳造用具に接する溶湯が改善され、上記と同様に鋳造品のピンホールやクラックも抑えられる。

さらにこの発明の鋳造装置や用具は、坩堝や攪拌棒に限らず、鋳型に流し込む前の溶湯が接する部材であれば何でも良く、溶湯が接する溶解炉の内壁面や、柄杓、取り鍋、保持炉、流路等適宜の装置や用具に適用可能なものである。

次に、実施例について説明する。この実施例では、坩堝１０や攪拌棒１２に二酸化チタン層１０ａ，１２ａを有した鋳造装置を使用して、アルミニウム製品鋳造時に出たアルミドロスからアルミニウム合金を回収した。この場合、通常は高温で起きるアルミニウムの燃焼反応が、二酸化チタンの作用により低温（７５０℃程度）でも起きるので、大気中の酸素をアルゴンガスで遮断した環境で行った。実験では、内側壁面に二酸化チタン成分を有した坩堝炉（コークス燃焼式）にＡｒガスを大量に流しながら、二酸化チタン撹拌棒１２で撹拌してアルミドロスを溶融してアルミニウム合金を回収した。

ここで用いたドロスは、成分の熱分析による事前評価によれば、２０％弱のアルミニウム金属成分を含むとされていた。

この実施例では、２回実験を行い、アルミニウムの回収率は質量割合で３３％、３２％であった。アルミドロスの溶解温度は、７００℃〜９００℃であった。

この実施例によれば、予想されたアルミニウム金属成分よりも高い回収率でアルミニウムが回収された。

次に、アルミニウム合金のインゴットとアルミニウムの鋳造時に出たドロスを、本発明の方法にと用具を用いて各々溶融した。

材料を加熱し、二酸化チタンを加えると、ドロスは全部粉状になり、炉内が８００℃程度になった。これに塩化マグネシウムの粉を振りかけ、ドロスから、アルミニウム金属の溶湯が得られ、アルミニウムを回収することができ、引っ張り試験片を作成した。以上の結果を表１に示す。アルミニウムインゴットを溶融して得られた試験片の結果も合わせて示す。

ここで、引っ張り強さの砂型鋳物の標準値は、１４７Ｎ／ｍｍ^２であり、この実施例のドロスから製造したアルミニウム試験片の性能の良さが分かった。

次に、他のアルミニウム合金のインゴットとアルミニウム鋳造時に出たドロスを、本発明の方法と用具を用いて各々溶融した。

上記と同様に材料を加熱し、二酸化チタンコーティングされた用具を用いてアルミニウム金属の溶融を行った。また、アルミドロスからアルミニウムを回収することができ、試験片を作成した。以上の結果を表２に示す。アルミニウムインゴットを従来装置により溶融して得られた試験片の結果も合わせて示す。

以上の結果から、二酸化チタンの粉を振りかけない場合でも高品質のアルミニウム鋳造製品が得られることが分かった。

鋳造に用いる坩堝の斜視図である。 坩堝と攪拌棒の断面図である。 酸素を遮断した鋳造方法を示す概略断面図である。 この発明の実施形態の鋳造方法を示す概略断面図である。

１０ 坩堝
１０ａ，１２ａ 二酸化チタン層
１２ 攪拌棒
１４ 溶解炉

Claims (1)

1. アルミニウムの鋳造時に発生するドロスを坩堝に入れ、前記坩堝内に入れられた前記ドロスに二酸化チタン粉末と炭素粉末をふりかけて、前記坩堝内の前記ドロスを前記アルミニウムの溶融温度に加熱して、前記アルミニウムと金属酸化物粉末を分離させて前記アルミニウムの溶湯を造ることを特徴とする鋳造方法。

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